專利名稱：一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法
一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法。
背景技術(shù)：
嫦娥三號(hào)衛(wèi)星要求使用激光雷達(dá)三維成像敏感器，能在距月面IOOm左右的懸停階段，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行成像，要求在短時(shí)間內(nèi)選擇安全著陸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精避障。
激光雷達(dá)三維成像敏感器采用掃描方式獲取全視場(chǎng)所有點(diǎn)的斜距和電機(jī)角的信息。如圖1所示，激光雷達(dá)三維成像敏感器采用二維掃描的方式(X維和Y維)，x維、Y維的掃描波形如圖2所示。每個(gè)條帶X維以正弦方式掃描，Y維以步進(jìn)方式與X維配合，在每一條掃描線結(jié)束時(shí)，進(jìn)行一次步進(jìn)，最終得到矩形點(diǎn)陣信息。對(duì)獲取的斜距和電機(jī)角的信息，利用三角公式計(jì)算出激光雷達(dá)三維成像敏感器的高程坐標(biāo)。
但是該點(diǎn)陣信息的列方向呈條帶排列，行方向呈兩邊密中間疏排列，對(duì)如此不規(guī)則分布的多元線陣難以應(yīng)用后續(xù)的安全著陸點(diǎn)搜索算法。
普通的重采樣方法可以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的信息量，但該方法存在如下弊端:重采樣時(shí)將每個(gè)數(shù)據(jù)高程變換之后按固定的距離進(jìn)行選取，結(jié)果仍是不規(guī)則的圖像信息，不便于后續(xù)處理。
因此普通的重采樣方法無法規(guī)整不規(guī)則的多元線陣使其滿足避障算法要求。為便于采樣后的圖像信息采用成熟的圖像處理算法，有必要將其轉(zhuǎn)換為規(guī)整的三維高程坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)范化。鑒于嫦娥三號(hào)衛(wèi)星能源、時(shí)間、存儲(chǔ)空間的苛刻限制，需要提供激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的快速重采樣方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采樣速度快的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法，能夠提供規(guī)整圖像使得后續(xù)能夠采用成熟的圖像處理方法高效處理圖像。
一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)三維成像敏感器所獲得的數(shù)據(jù)，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為XWideXLen維的矩形點(diǎn)陣所對(duì)應(yīng)的斜距和電機(jī)角的信息，Len=XNumXYLen ;其中X維由XWide個(gè)點(diǎn)組成，Y維由YLen個(gè)掃描條帶組成，每個(gè)掃描條帶由XNum個(gè)線陣組成,步驟如下:
根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器掃描特性，計(jì)算每個(gè)掃描條帶的零位；
根據(jù)X維的視場(chǎng)角度范圍以及偏差，計(jì)算X維的XWide個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)的實(shí)際分布模型；
根據(jù)Y維的視場(chǎng)角度范圍，計(jì)算規(guī)則化模板的等分距離；
采用Y維的視場(chǎng)角度的幅值作為基準(zhǔn)，以規(guī)則化模板的等分距離為步進(jìn)，計(jì)算X維的Len個(gè)理想分布點(diǎn)的理想分布模型；
對(duì)于X維的每一個(gè)理想分布點(diǎn)，在以該理想分布點(diǎn)為中心，規(guī)則化模板的等分距離的一半為半徑的范圍內(nèi)，查找該范圍內(nèi)X維的實(shí)際分布點(diǎn)的位置；求該范圍內(nèi)各個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)的位置的均值并取整獲得該理想分布點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置；
根據(jù)每一個(gè)理想分布點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置以及每個(gè)掃描條帶的零位建立規(guī)則化模板，將XWideXLen維的矩形點(diǎn)陣規(guī)整成LenXLen維的規(guī)則化模板；
根據(jù)所建立的規(guī)則化模板進(jìn)行重采樣。
所述規(guī)則化模板的建立方法如下:
ScanPix[iPix][jPix]=Xn[iPix]+ScanMid[jMid],
其中ScanPix[iPix] [jPix]為零位校正后的X維的位置信息，iPix從I取至Len,jPix 從 I 取至 Len, jMid=mod (jPix, YLen), mod 為求余函數(shù)；Xn[iPix]為理想分布點(diǎn) iPix所對(duì)應(yīng)的位置信息，ScanMid[jMid]為jPix所對(duì)應(yīng)的掃描條帶jMid的零位。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的重采樣方法通過計(jì)算得到激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的條帶零位，再根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器的掃描特性，建立基于零位對(duì)稱的規(guī)則化模板，利用所述規(guī)則化模板進(jìn)行重采樣；從而可以有效地利用激光雷達(dá)三維成像敏感器的掃描特性，快速實(shí)現(xiàn)重采樣，重采樣后的規(guī)整圖像使得后續(xù)能夠采用成熟的圖像處理方法高效處理圖像。


圖1為激光雷達(dá)三維成像敏感器的掃描方式示意圖。
圖2為掃描波形圖，圖2a是16個(gè)條帶的掃描波形示意圖，圖2b是I個(gè)條帶的掃描波形示意圖。
圖3為得到的基于零位對(duì)稱的規(guī)則化模板的示意圖。
圖4為本發(fā)明的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)三維成像敏感器所獲得的數(shù)據(jù)，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為XWideXLen維的矩形點(diǎn)陣所對(duì)應(yīng)的斜距和電機(jī)角的信息，Len=XNumXYLen ;其中X維由XWide個(gè)點(diǎn)組成，Y維由YLen個(gè)掃描條帶組成,每個(gè)掃描條帶由XNum個(gè)線陣組成。
如圖4所示，本發(fā)明的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法具體通過以下步驟實(shí)現(xiàn):
步驟一:計(jì)算每個(gè)掃描條帶的零位ScanMid[jMid],其中jMid從I取至YLen。根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器掃描特性，在預(yù)估的各個(gè)條帶零位附近的ScanRange范圍內(nèi)搜尋最小值，以此作為該條帶的實(shí)際零位。零位為各個(gè)掃描條帶對(duì)應(yīng)的X維正弦掃描偏移為零的位置信息，如圖2所示。
步驟二:計(jì)算X維的實(shí)際分布模型。根據(jù)X維的視場(chǎng)角度范圍[XLeft，XRight]，以及X維中心偏差XErr，采用公式I建立X維的實(shí)際分布模型Xt。
Xt=(XLeft+XRight)/2 X cos (t)+Xerr(I)
其中，t從I取至XWide。
步驟三:計(jì)算規(guī)則化模板的等分距離Dis。激光雷達(dá)的掃描特性是Y維比X維的視場(chǎng)角度范圍窄，故最后形成的正方形規(guī)則化模板的等分距離與Y維視場(chǎng)角度范圍[YUP，YDown]有關(guān)，參見公式2。
Dis=(YUp-YDown)/2(2)
步驟四:計(jì)算X維的理想分布模型Xi。采用Y維的視場(chǎng)角度的幅值作為基準(zhǔn)，以規(guī)則化模板的等分距離Dis為步進(jìn)，計(jì)算X維的理想分布模型，參見公式3。
Xi= (YUp+YDown)/2-(1-l) XDis(3)
其中，i從I取至Len。
步驟五:遍歷Len個(gè)X維的理想分布點(diǎn)，對(duì)于X維的每一個(gè)理想分布點(diǎn)i，在以該理想分布點(diǎn)為中心，規(guī)則化模板的等分距離的一半為半徑的范圍內(nèi)，查找X維的實(shí)際分布點(diǎn)Xt在該范圍內(nèi)的位置信息Xj,參見公式4。
Xj=Find (abs (Xt-Xi)〈(Dis/2))(4)
其中Xj為在該分布范圍內(nèi)的位置信息；Find為搜索函數(shù)。
步驟六:遍歷Len個(gè)X維的理想分布點(diǎn)，對(duì)于X維的每一個(gè)理想分布點(diǎn)iPix,求步驟五的查找范圍內(nèi)各個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)的位置信息Xj的均值并取整，以獲得該理想分布點(diǎn)iPix所對(duì)應(yīng)的位置信息Xn[iPix]，參見公式5。
Xn [iPix] =round (mean (Xj))(5)
其中iPix從I取至Len, round為四舍五入計(jì)算函數(shù)，mean為均值計(jì)算函數(shù)。
步驟七:根據(jù)每一個(gè)理想分布點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置以及每個(gè)掃描條帶的零位，建立基于零位對(duì)稱的規(guī)則化模板ScanPix [Len X Len],參見公式6。
ScanPix[iPix][jPix]=Xn[iPix]+ScanMid[jMid](6)
其中ScanPix[iPix] [jPix]為零位校正后的X維的位置信息，iPix從I取至Len,jPix 從 I 取至 Len, jMid=mod(jPix, YLen)，mod 為求余函數(shù)；其中 Xn[iPix]為步驟(6)所求的理想分布點(diǎn)iPix所對(duì)應(yīng)的位置信息，ScanMid[jMid]為當(dāng)前所屬的jPix所對(duì)應(yīng)的掃描條帶jMid的零位。
所建立的基于零位對(duì)稱的規(guī)則化模板，如圖3。經(jīng)過上述步驟，將原始的XWide(寬)X (XNumXYLen)(長)的矩形點(diǎn)陣，規(guī)整成LenXLen的規(guī)則化模板,Len=XNumXYLen。由于以Y維的維數(shù)Len為基準(zhǔn)，Y維的位置信息是已知的，故上述規(guī)則化模板得到了 X維的位置信息。
步驟八:利用所述規(guī)則化模板對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理。提取模板相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)信息(斜距和電機(jī)角的信息)，再利用三角公式計(jì)算出激光雷達(dá)三維成像敏感器的三維高程坐標(biāo)，之后就可以對(duì)規(guī)整后的數(shù)據(jù)采用成熟高效的圖像處理算法。
采用該重采樣方法應(yīng)用具體實(shí)例為:
應(yīng)用本發(fā)明提供的方法，嫦娥三號(hào)圖像處理軟件研制證明，激光三維雷達(dá)每個(gè)條帶X維以正弦方式掃描，Y維(共16個(gè)條帶)以步進(jìn)方式與X維配合，在每一條掃描線結(jié)束時(shí)，進(jìn)行一次步進(jìn)，最終得到781 X 16 X 16的矩形點(diǎn)陣信息。其中掃描條帶數(shù)目YLen=16，每個(gè)掃描條帶的線陣數(shù)目XNum=16，X維的像素點(diǎn)數(shù)目XWide=781(該值為均值，實(shí)際掃描時(shí)會(huì)有I 2個(gè)像素點(diǎn)的誤差)。X維的視場(chǎng)角度范圍[XLeft，XRight]為[-8.52,8.58]，X維中心偏差XErr為-0.081， Y維視場(chǎng)角度范圍[YUp, YDown]為[-14.81，14.19]。采用本發(fā)明提供的方法和裝置，首先在預(yù)估的條帶零位附近的20個(gè)像素范圍內(nèi)(即ScanRange=20)計(jì)算出Y維16個(gè)掃描條帶的零位，然后根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器掃描的X維的正弦分布特性以及視場(chǎng)角度范圍，將X維呈正弦分布的線陣(每個(gè)條帶有16條線陣)上781個(gè)像素點(diǎn)映射到256個(gè)均勻分布的位置，最終將原始的781 X (16X16)(長)的矩形點(diǎn)陣，規(guī)整成256X256的規(guī)則化模板。
通過所述方法后的像素點(diǎn)數(shù)目下降至33%，時(shí)間由普通重采樣的6.7s降至1.3s,節(jié)省了 81%的時(shí)間，這為之后的著陸器安全著陸點(diǎn)的避障搜索預(yù)留出更多的時(shí)間，因此高效的保證了嫦娥三號(hào)著陸的安全性。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)三維成像敏感器所獲得的數(shù)據(jù)，所述激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為XWideXLen維的矩形點(diǎn)陣所對(duì)應(yīng)的斜距和電機(jī)角的信息，Len=XNumXYLen ;其中X維由XWide個(gè)點(diǎn)組成，Y維由YLen個(gè)掃描條帶組成,每個(gè)掃描條帶由XNum個(gè)線陣組成,其特征在于,步驟如下: 根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器掃描特性，計(jì)算每個(gè)掃描條帶的零位； 根據(jù)X維的視場(chǎng)角度范圍以及偏差，計(jì)算X維的XWide個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)的實(shí)際分布模型； 根據(jù)Y維的視場(chǎng)角度范圍，計(jì)算規(guī)則化模板的等分距離； 采用Y維的視場(chǎng)角度的幅值作為基準(zhǔn)，以規(guī)則化模板的等分距離為步進(jìn)，計(jì)算X維的Len個(gè)理想分布點(diǎn)的理想分布模型； 對(duì)于X維的每一個(gè)理想分布點(diǎn)，在以該理想分布點(diǎn)為中心，規(guī)則化模板的等分距離的一半為半徑的范圍內(nèi)，查找該范圍內(nèi)X維的實(shí)際分布點(diǎn)的位置；求該范圍內(nèi)各個(gè)實(shí)際分布點(diǎn)的位置的均值并取整獲得該理想分布點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置； 根據(jù)每一個(gè)理想分布點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置以及每個(gè)掃描條帶的零位建立規(guī)則化模板，將XffideXLen維的矩形點(diǎn)陣規(guī)整成LenXLen維的規(guī)則化模板； 根據(jù)所建立的規(guī)則化模板進(jìn)行重采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法，其特征在于，所述規(guī)則化模板的建立方法如下:ScanPix[iPix][jPix]=Xn[iPix]+ScanMid[jMid], 其中ScanPix[iPix] [jPix]為零位校正后的X維的位置信息，iPix從I取至Len, jPix從I取至Len, jMid=mod(jPix, YLen)，mod為求余函數(shù)；Xn[iPix]為理想分布點(diǎn)iPix所對(duì)應(yīng)的位置信息，ScanMid[jMid]為jPix所對(duì)應(yīng)的掃描條帶`jMid的零位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的重采樣方法，首先計(jì)算出Y維YLen個(gè)掃描條帶的零位，然后根據(jù)激光雷達(dá)三維成像敏感器掃描的X維的正弦分布特性以及視場(chǎng)角度范圍，將X維呈正弦分布的線陣(每個(gè)條帶有XNum條線陣)上XWide個(gè)像素點(diǎn)映射到Len個(gè)均勻分布的位置，最終將原始的XWide(寬)×(XNum×YLen)(長)的矩形點(diǎn)陣，規(guī)整成Len×Len的規(guī)則化模板，Len=XNum×YLen。本發(fā)明簡單有效的利用了激光雷達(dá)三維成像敏感器的掃描特性，非常適用于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的快速重采樣。
文檔編號(hào)G01S7/48GK103163512SQ201310078250
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者王健蓉, 楊春河, 陳朝暉, 張威泰, 王立, 張洪華, 王振華 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所